專利名稱：用于透平葉片的內部核心輪廓的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃氣透平的一個級的葉片，尤其涉及第二級透平葉片的內部核心輪廓。
為了達到包括總體改良的效率和翼面負荷在內的設計目標，對于燃氣透平的熱氣通道部分的每一級，都必須滿足許多系統(tǒng)需求。特別是，透平部的第二級的葉片必須滿足該特殊級的運行需求，并滿足葉片冷卻面積和壁厚的要求。內部冷卻需求必須達到最優(yōu)化，即必須使一個特殊的內部核心輪廓滿足該級性能需求，從而使透平在安全的、有效的和平穩(wěn)的狀態(tài)下運行。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提供一種特殊的用于燃氣透平的葉片(優(yōu)選第二級葉片)的內部核心輪廓，以提高燃氣透平的性能。應該理解，第二級葉片翼面的外部翼形提高了透平的不同級之間的相互作用，提供了改善的氣動效率和機械負載。用于優(yōu)選葉片的外部翼形在一個共同專利申請中提出，該共同專利申請?zhí)枮镹o.10/320,655，于2002年12月17日提交，名稱為“透平葉片的翼形”(“Airfoil Shape for a Turbine Bucket”)(Atty.Dkt.839-1347)，其公開的內容在此引入作為參考。同樣的，內部核心的形狀也是重要的，這不僅由于結構的原因，而且由于要以合適的壁厚達到內部冷卻的最優(yōu)化。
葉片內部核心輪廓通過多個點的一種特殊分布確定，所述點的分布滿足必要的結構和冷卻需求，借以獲得提高的透平性能。這些點的這種特殊分布確定了內部標稱核心輪廓，該分布由下面表I中X、Y和Z的笛卡兒坐標確定。對應于表I中示出的坐標值的3700個點，是用于低溫即室溫下的葉片，在沿著葉片翼面的長度方向不同的橫截面處取的。正的X、Y和Z的方向分別為軸向朝向透平排氣端、從發(fā)動機旋轉方向的切向看向后的方向和徑向向外朝向葉片頂部。X和Y的坐標以長度單位給出，例如以英寸為單位，并且在各Z值處平滑地相結合，從而形成一個光滑、連續(xù)的內部核心輪廓橫截面。Z坐標以無量綱形式從0到1給出。通過將例如以英寸為單位的葉片高度尺寸，乘以表I的無量綱Z值，就可以獲得葉片的內部核心輪廓。將在X-Y平面內確定的每個內部核心輪廓截面與Z方向上相鄰的輪廓截面平滑地連結，則可形成完整的內部葉片核心輪廓。
優(yōu)選的第二級透平葉片包括側壁表面，若干肋在所述側壁表面內部間延伸，并與所述側壁一體。這些肋彼此間隔，并與葉片側壁的內壁表面一起形成內部冷卻通道，優(yōu)選的是，沿著葉片值方向螺旋構形。X和Y坐標之間延伸以形成在各Z值的等長度面上的輪廓截面的光滑連續(xù)的弧或線沿著冷卻通道的內壁表面，并在沿著各側壁的相鄰的通道之間延伸。因此，每個內部核心輪廓截面具有包絡部分，所述包絡部分穿過介于肋和每個側壁之間的結合部分，并沿著冷卻通道的側壁。這些內部核心輪廓截面至少在葉片的翼面部分，通常是翼面形狀。
應該理解，因為在應用中每個葉片升溫，由于機械負載和溫度的原因，內部核心輪廓會變化。因此，由X、Y和Z的坐標給出的在低溫或室溫下的輪廓，是用于制造目的。由于制造的內部葉片核心輪廓可能與下面表中給出的標稱輪廓不同，所以，在垂直于沿著標稱輪廓任何截面位置的方向，從標稱輪廓加上或減去0.039英寸的長度，則確定用于這種內部葉片核心輪廓的輪廓包絡。所述輪廓對于這個變化是足以承受不會損害葉片的機械性能、冷卻性能和氣動性能。
也應該理解，葉片可以按幾何比例增加或減小，從而用于引進相似的透平設計。因此，下面給出的內部標稱核心輪廓的以英寸為單位的X和Y坐標以及無量綱Z坐標，當Z坐標轉換成以英寸為單位時，可以是相同常數(shù)或數(shù)值的函數(shù)。也就是說，以英寸為單位的X、Y和Z坐標可以乘以或除以同一個常數(shù)或數(shù)值，從而提供內部葉片核心輪廓按比例增加或減小的形式，同時保持核心輪廓的截面形狀。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提供一種透平葉片，該葉片包括翼面、平臺、葉根和楔形榫，具有基本上與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值一致的內部標稱核心輪廓，其中Z值是從0到1的無量綱值，可通過將Z值乘以以英寸為單位的葉片高度，將Z轉換成以英寸為單位的Z長度，并且其中X和Y是以英寸為單位的長度，當用平滑連續(xù)的弧將所述X和Y相連接時，形成了沿著葉片在每個Z值處的內部核心輪廓截面，在Z值處的輪廓截面彼此互相平滑地連結，從而形成葉片內部核心輪廓。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提供一種透平葉片，該葉片包括翼面、平臺、葉根和楔形榫，具有基本上與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值一致的內部標稱核心輪廓，其中Z值是從0到1的無量綱值，可通過將Z值乘以以英寸為單位的葉片高度，將Z轉換成以英寸為單位的Z長度，并且其中X和Y是以英寸為單位的長度，當將所述X和Y與平滑連續(xù)的弧相連接時，形成沿著葉片在每個Z值處的內部核心輪廓截面，在Z值處的輪廓截面彼此互相平滑地連結，從而形成葉片內部核心輪廓，其中X、Y和Z值作為相同常數(shù)或數(shù)值的函數(shù)可按比例變化，從而提供按比例增加或按比例減小的內部核心輪廓。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提供一種透平，該透平包括具有多個葉片的透平葉輪，每個葉片包括翼面、平臺、葉根和楔形榫，每個葉片具有基本上與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值一致的內部標稱核心輪廓，其中Z值是從0到1的無量綱值，可通過將Z值乘以以英寸為單位的葉片高度，將Z轉換成以英寸為單位的Z長度，并且其中X和Y是以英寸為單位的長度，當用平滑連續(xù)的弧將所述X和Y相連接時，沿著葉片在各Z值處形成內部核心輪廓截面，在各Z值處的輪廓截面彼此互相平滑地連結，從而形成葉片內部核心輪廓。


圖1是穿過燃氣透平的多個級的熱氣通道示意圖，并圖解了第二級葉片的翼面；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的一個葉片的透視圖，結合葉片的平臺、葉根和楔形榫對其進行說明；圖3是圖2中葉片和與其相連的翼面和平臺的徑向向內看的視圖；圖4、圖5和圖6是沿著翼面高度方向，分別在大約85％翼展和齒距以及5％翼展位置截取的橫斷面剖視圖，這些圖說明了冷卻通道和典型的葉片內部核心輪廓的剖面；圖7和圖8分別為從葉片兩側看去的外側正視圖，葉片的外表面由虛線表示，葉片的內部核心輪廓由實線表示；圖9和圖10分別為從葉片兩側看去的透視圖，葉片的外表面由虛線表示，葉片的內部核心輪廓由實線表示。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，尤其是圖1，該解了包括多個透平級的燃氣透平12的一個熱氣通道，該通道總體在圖中以10表示。圖中示出三個級。例如，第一級包括多個周向隔開的噴嘴14和葉片16。噴嘴沿周向彼此間隔，并固定在轉子軸的周圍。當然，第一級葉片16安裝在透平轉子17上。燃氣透平12的第二級也示出，包括多個周向間隔的噴嘴18和安裝在轉子17上周向間隔的葉片20。第三級也示出，包括多個周向間隔的噴嘴22和安裝在轉子17上的葉片24。應該理解，噴嘴和葉片處于燃氣透平12的熱氣通道10中，通過熱氣通道10的熱氣流的方向由箭頭26指示。
參考圖2，應該理解，這些葉片，例如，第二級的葉片20安裝在轉子上，形成轉子17的一部分，轉子未示出，并且所述葉片20包括平臺30、葉根37和楔形榫34。因此，每個葉片20都安裝有一個基本軸向或近軸向的入口楔形榫34，用于和轉子17上的形狀互補搭配的楔形榫(未示出)相連接。但是可以安裝一個入口楔形榫。還應該理解，每個葉片20都有一個如圖2-3所示的翼面32。因此，在從葉片根部31到葉片頂部33間的任一橫截面處，每個葉片20都有一個外部葉片翼面輪廓，該輪廓以如圖4-6所示的翼面32的形狀為特征。在第二級透平葉片的這個優(yōu)選實施例中有六十個葉片翼面。雖然不夠成本發(fā)明的一個部分，但是第二級葉片翼面32包括多個一般為螺旋形狀的內部冷卻通道35(圖4-6)，從而構成多個空氣冷卻回路。這些空氣冷卻回路沿著翼面32，從翼面32向在出口位置的熱氣通道(未示出)排氣。
更具體而言，翼面32包括凸的和凹的外壁表面，即分別為壓力面42和負壓面44(圖3)，它們和內部核心輪廓40(圖4-6)共同確定一個翼面壁厚“t”。翼面32還包括多個肋46，這些肋在翼面相對的側壁48之間延伸。肋46分別在葉片的前緣52和尾緣54之間互相間隔，從而與葉片側壁48的內壁表面部分49一起，確定多個通常為螺旋形狀的內部冷卻通道35。
空間中有一組獨特的形成合第二級葉片內核輪廓的點的分布，能夠滿足該級需求，即葉片冷卻面積，壁厚并可制造。確定葉片內部核心輪廓40的點的這種特殊分布包括與透平轉動軸相關的3700個點的分布。在下面表I中給出的X、Y和Z值的笛卡兒坐標系確定了葉片翼面32沿著其長度方向在不同位置處的該內部核心輪廓40。雖然當數(shù)值作適當變換時也可以用其它的長度單位，但是在表I中以英寸為單位列出X和Y坐標的坐標值。在表I中Z值以無量綱形式從0～1列出。要將Z值轉換成Z的坐標值，例如以英寸為單位，那么將表中給出的無量綱Z值乘以以英寸為單位的葉片高度就可以。葉片高度從楔形榫34連結部位延伸到翼面的頂蓋33。笛卡兒坐標系具有正交關系的X、Y和Z坐標軸，并且X軸與透平轉子中心線平行，即旋轉軸線和正的X坐標值是軸向朝向尾部，也就是透平的排氣端。正的Y坐標值在轉子的旋轉方向上切向向后，正的Z坐標值徑向向外延伸至葉片頂部。
在垂直于X-Y平面的Z方向上，通過確定給定位置處的X和Y的坐標值，在沿著翼面的長度方向每個Z值處就可以確定葉片的內部核心輪廓40，例如葉片翼面部分，在圖4-6中由虛線示出。通過用光滑連續(xù)的弧將X和Y值連結，就可以固定每個Z值處的每個內部核心輪廓40。介于長度Z之間的不同內部位置的內部核心輪廓這樣確定，通過光滑地連結彼此相鄰的輪廓截面40，從而形成核心輪廓。這些值描繪出在周圍的非運行或非熱條件下的內部核心輪廓。
X和Y坐標之間延伸以形成各Z值處的截面輪廓40的光滑連續(xù)的弧沿著內壁表面的部分49，并在沿著各側壁48的相鄰的通道35之間延伸，其中所述弧用于確定在各Z值處的每個輪廓截面40。因此，每個內部核心輪廓40都有包絡部分，該包絡部分穿過介于肋46和側壁48之間的結合部分，并與冷卻通道的側壁同向。葉片20的內部核心輪廓40在圖7-10中由粗線條示出，并延伸至翼面32、平臺30和楔形榫34中。表I中X、Y和Z的坐標值用于葉片的內部核心輪廓，該葉片包括翼面32、平臺30和楔形榫34。
表I的數(shù)值產生并示出至小數(shù)點后三位，用于確定翼面的內部核心輪廓。在翼面的實際內部輪廓中，必須考慮通常的制造公差以及涂層。因此，表I中給出的用于輪廓的值是用于標稱的核心輪廓。因此應當理解，通常的±制造公差，即包括任何涂層厚度在內的±值被添加到下面表I中給出的X和Y值中。因此，在垂直于沿著內部核心輪廓的任何表面位置的方向上，±0.039英寸的長度為這個特殊的葉片設計和透平確定了一個內部核心輪廓包絡，即在標稱低溫或室溫下，在實際的內部核心輪廓上測量的點和同溫下如下面表中給出的那些點的理想分布之間變化的范圍。內部核心輪廓40相對于這個變化范圍是足以承受的，不損害機械性能和冷卻性能。
下面表I中給出的坐標值提供了用于葉片20的優(yōu)選的標稱內部核心輪廓包絡。
表I




















































也應該理解，上面表中公開的內部核心輪廓可以按幾何比例增加或減小，從而用于其它相似的透平設計。因此，在表I中列出的坐標值可以按比例增加或減小，這樣內部輪廓的形狀保持不變。表I中坐標值依比例確定的一個版本可以是取表I中的X、Y和Z的坐標值，并將其中無量綱的Z坐標值通過乘以或除以一個常數(shù)轉換成以英寸為單位。
雖然與目前認為是最實用和最優(yōu)選的實施例相結合對本發(fā)明進行了描述，但是應該理解，本發(fā)明不局限于所公開的實施例，相反的，本發(fā)明意于涵蓋不同的修正和等效配置，這些包含在從屬權利要求的精神和范圍之中。
權利要求
1.一種透平葉片(20)，該葉片包括一翼面(32)、一平臺(30)、一葉根(37)和一楔形榫(34)，具有基本上與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值一致的內部標稱核心輪廓，其中Z值是從0到1的無量綱值，可通過將Z值乘以以英寸為單位的葉片高度將Z轉換成以英寸為單位的Z長度，并且其中X和Y是以英寸為單位的長度，當用平滑連續(xù)的弧將所述X和Y相連結時，沿著葉片在各Z值處確定內部核心輪廓截面，在各Z值處的輪廓截面彼此互相平滑地連結，從而形成葉片內部核心輪廓。
2.如權利要求1所述的透平葉片，其特征在于所述葉片具有側壁(48)和在側壁間延伸的肋(46)，所述肋在介于葉片的前緣和尾緣之間彼此間隔，并與所述側壁的內壁表面一起確定沿著葉片長度方向的內部冷卻通道，所述平滑連續(xù)的弧沿著冷卻通道的內壁表面以及介于沿著所述側壁的相鄰的通道延伸。
3.如權利要求2所述的透平葉片，其中所述的平滑連續(xù)的弧穿過介于肋和每個側壁之間的連結部分。
4.如權利要求1所述的透平葉片，其特征在于所述葉片翼面具有一外部翼面形狀，所述內部核心輪廓截面在葉片翼面內部具有總體翼面形狀的部分，并且總體上與葉片翼面的所述外部翼面形狀的輪廓截面減去其間的壁厚相一致。
5.如權利要求1所述的透平葉片，其特征在于該葉片構成透平的第二級的一部分。
6.如權利要求1所述的透平葉片，其特征在于所述的內部核心輪廓位于垂直于沿著它的任何內部核心表面位置的方向上的一個±0.039英寸的包絡中。
7.一種透平葉片(20)，該葉片包括一翼面(32)、一平臺(30)、一葉根(37)和一楔形榫(34)，具有基本上與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值一致的內部標稱核心輪廓，其中Z值是從0到1的無量綱值，可通過將Z值乘以以英寸為單位的葉片高度將Z轉換成以英寸為單位的Z長度，并且其中X和Y是以英寸為單位的長度，當用平滑連續(xù)的弧將所述X和Y相連結時，沿著葉片在每個Z值處確定內部核心輪廓截面，各Z值處的輪廓截面彼此互相平滑地連結，從而形成葉片內部核心輪廓，其中X、Y和Z值作為相同常數(shù)或數(shù)值的函數(shù)可按比例變化，從而提供按比例增加或按比例減小的內部核心輪廓。
8.如權利要求7所述的透平葉片，其中所述葉片翼面具有一外部翼面形狀，所述內部核心輪廓截面在葉片翼面內部總體上具有翼面形狀的部分，并且總體上與葉片翼面的所述外部翼面形狀的輪廓截面減去其間的壁厚相一致。
9.一種透平，該透平包括一具有多個葉片(20)的透平葉輪，每個所述的葉片包括一翼面(32)、一平臺(30)、一葉根(37)和楔形榫(34)，具有基本上與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值一致的內部標稱核心輪廓，其中Z值是從0到1的無量綱值，可通過將Z值乘以以英寸為單位的葉片高度將Z轉換成以英寸為單位的Z長度，并且其中X和Y是以英寸為單位的值，當用平滑連續(xù)的弧將所述X和Y相連結時，沿著葉片在每個Z值處確定內部核心輪廓截面，各Z值處的輪廓截面彼此互相平滑地連結，從而形成葉片內部核心輪廓。
10.如權利要求9所述的透平，其中X、Y和Z值作為相同常數(shù)或數(shù)值的函數(shù)可按比例變化，從而提供按比例增加或按比例減小的內部核心輪廓。
全文摘要
第二級透平葉片(20)，該葉片具有基本上與表I中列出的X、Y和Z笛卡兒坐標值一致的內部標稱核心輪廓，其中X和Y值以英寸為單位，Z值是從0到1的無量綱值，可通過將Z值乘以以英寸為單位的葉片高度，將Z轉換成以英寸為單位的Z長度。X和Y值是長度，當用平滑連續(xù)的弧將所述X和Y相連結時，沿著葉片在各Z值處確定內部核心輪廓截面。各Z值處的輪廓截面彼此互相平滑地連結，從而形成葉片內部核心輪廓。X、Y和Z值作為相同常數(shù)或數(shù)值的函數(shù)可按比例變化，從而提供按比例增加或按比例減小的內部核心輪廓。由X、Y和Z值給定的標稱內部核心輪廓位于垂直于任何內部核心表面位置的方向上的一個±0.039英寸的包絡中。
文檔編號F01D5/18GK1542258SQ20041004516
公開日2004年11月3日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權日2003年4月28日
發(fā)明者E·L·麥克格拉斯, E L 麥克格拉斯, B·A·拉格蘭格, 拉格蘭格, A·A·基烏拉托, 基烏拉托 申請人:通用電氣公司